DE102012223662B4 - A method of generating a high frequency power and power supply system with a power converter for supplying a load with power - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Erzeugung einer Hochfrequenzleistung, die einer Last zuführbar ist, indem ein Analogsignal durch einen DAC (41) erzeugt und in einem Verstärkerpfad (31–36) verstärkt wird, wobei die Amplitude des Analogsignals moduliert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude des Analogsignals moduliert wird, indem einem Digitalsignaleingang des DAC (41) eine Folge von Digitalwerten zugeführt wird, aus denen der DAC (41) das Analogsignal erzeugt und die Folge von Digitalwerten erzeugt wird, indem ein in einem Signal-Datenspeicher (61) abgelegter Signal-Datenwert mit einem in einem Amplituden-Datenspeicher (62) abgelegten Amplituden-Datenwert multipliziert wird.A method for generating a high-frequency power that can be supplied to a load by generating an analog signal by a DAC (41) and amplifying it in an amplifier path (31-36), wherein the amplitude of the analog signal is modulated, characterized in that the amplitude of the analog signal is modulated by supplying to a digital signal input of the DAC (41) a sequence of digital values from which the DAC (41) generates the analog signal and generates the sequence of digital values by a signal data value stored in a signal data memory (61) is multiplied by an amplitude data stored in an amplitude data memory (62).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer Hochfrequenzleistung, die einer Last zuführbar ist, indem ein Analogsignal durch einen Digital-Analog-Wandler (DAC) erzeugt und in einem Verstärkerpfad verstärkt wird, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.The invention relates to a method for generating a high-frequency power that can be supplied to a load by an analog signal generated by a digital-to-analog converter (DAC) and amplified in an amplifier path, according to the preamble of claim 1.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Leistungsversorgungssystem mit einem Leistungswandler, der zur Versorgung einer Last mit Leistung mit der Last verbindbar ist, wobei der Leistungswandler einen ersten Verstärkerpfad aufweist, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 6.The invention further relates to a power supply system having a power converter connectable to the load for supplying a load with power, the power converter having a first amplifier path according to the preamble of
Die
Aus Wikipedia: Lookup-Tabellen ist es bekannt, dass Lookup-Tabellen in der Informatik und in der Digitaltechnik verwendet werden, um Informationen statisch zu definieren und diese zur Laufzeit des Programms – zur Vermeidung aufwändiger Berechnungen oder hohen Speicherverbrauchs – zu benutzen.From Wikipedia: lookup tables it is known that lookup tables are used in computer science and digital technology to statically define information and use it at runtime of the program - to avoid time-consuming calculations or high memory consumption.
Die
Die
Leistungsversorgungssysteme, insbesondere Systeme, die Leistung bei Frequenzen > 1 MHz erzeugen, werden beispielsweise zur Laseranregung, in Plasmabeschichtungsanlagen oder auch für Induktionsanwendungen verwendet. In derartigen Leistungsversorgungssystemen werden häufig mehrere Verstärker verwendet, um daraus eine Gesamtleistung des Leistungsversorgungssystems zu erzeugen. Die von den einzelnen Verstärkern erzeugten Leistungssignale sind häufig nicht phasensynchron. Auch können die Leistungssignale unterschiedliche Amplituden aufweisen. Die Ausgangsleistungen der einzelnen Verstärker, d. h. die Leistungssignale, müssen häufig zu einer Gesamtleistung kombiniert werden, z. B. mittels Kombinierern (Combiner), oder direkt an einer Last, z. B. einer Plasmaelektrode oder einer Gaslaserelektrode. Zum Kombinieren der Ausgangsleistungen sind häufig feste Phasenbeziehungen der Ausgangsleistungen erforderlich. Außerdem sollte die Ausgangsleistung der Verstärker bezüglich ihrer Amplitude zueinander abgestimmt werden.Power supply systems, in particular systems that generate power at frequencies> 1 MHz, are used for example for laser excitation, in plasma coating systems or for induction applications. In such power supply systems, multiple amplifiers are often used to generate a total power from the power supply system. The power signals generated by the individual amplifiers are often not phase synchronous. Also, the power signals may have different amplitudes. The output power of each amplifier, d. H. the power signals often have to be combined into a total power, e.g. B. by combiners (combiner), or directly to a load, eg. B. a plasma electrode or a gas laser electrode. For combining the output powers, fixed phase relationships of the output powers are often required. In addition, the output power of the amplifiers should be matched in amplitude to each other.
Problematisch ist weiterhin, dass es bei derartigen Systemen schwierig ist, die Leistung und insbesondere den Ionisierungsgrad in der Last einzustellen.A further problem is that it is difficult in such systems to adjust the power and in particular the degree of ionization in the load.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und ein Leistungsversorgungssystem bereit zu stellen, mit denen die Leistung in der Last, insbesondere ein Ionisierungsgrad des Plasmas, eingestellt werden kann.It is therefore an object of the present invention to provide a method and a power supply system with which the power in the load, in particular a degree of ionization of the plasma, can be adjusted.
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Erzeugung einer Hochfrequenzleistung, mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Als Last kommt insbesondere ein Plasmaprozess oder ein Gaslaserprozess in Frage. Durch die Amplitudenmodulation des Analogsignals kann die Leistung, die in die Last geliefert wird, geregelt werden und so beispielsweise der Ionisierungsgrad eines Plasmas in einer Plasmalast besonders einfach eingestellt und gesteuert werden. Plasmalast kann ein Bearbeitungsplasma zum Ätzen oder Beschichten oder auch ein einen Gaslaser anregendes Plasma sein Die Amplitude des Analogsignals wird moduliert, indem einem Digitalsignaleingang des DAC eine Folge von Digitalwerten zugeführt wird, aus denen der DAC das Analogsignal erzeugt. Auf diese Art und Weise kann ein Analogsignal besonders schnell und exakt erzeugt werden.This object is achieved according to the invention by a method for generating a high-frequency power, with the features of claim 1. As a load is in particular a plasma process or a gas laser process in question. By the amplitude modulation of the analog signal, the power supplied to the load can be controlled, and thus, for example, the degree of ionization of a plasma in a plasma load can be set and controlled in a particularly simple manner. Plasma load may be a processing plasma for etching or coating, or also a gas laser exciting plasma. The amplitude of the analog signal is modulated by supplying to a digital signal input of the DAC a series of digital values from which the DAC generates the analog signal. In this way, an analog signal can be generated particularly quickly and accurately.
Die Folge von Digitalwerten wird erzeugt, indem ein in einem Signaldatenspeicher abgelegter Signaldatenwert mit einem in einem Amplitudendatenspeicher abgelegten Amplitudendatenwert multipliziert wird. Insbesondere kann die Folge von Digitalwerten erzeugt werden, indem mit Hilfe eines Zählers eine Folge von in einem Signaldatenspeicher abgelegten Signaldatenwerten ausgelesen wird, diese Folge von Signaldatenwerten einem Multiplizierer zugeführt wird, und von diesem Multiplizierer mit einem aus einem Amplitudendatenspeicher ausgelesenen Amplitudendatenwert multipliziert wird. Dabei kann ein Analogsignal eine Analogspannung sein. Somit kann auf einfache Art und Weise ein Digitalsignal erzeugt werden, welches Informationen bezüglich der Signalform und der Amplitude des im DAC zu erzeugenden Analogsignals aufweist. Dies hat insbesondere dann Vorteile, wenn parallel mehrere Analogsignale erzeugt werden, die anschließend durch einen Kombinierer kombiniert werden, so dass die zu kombinierenden Signale besonders einfach und schnell aneinander angepasst werden können. Verstärkerpfade, die mit einem so generierten Analogsignal angesteuert sind, sind besonders gut für einen Parallelbetrieb mehrerer Verstärkerpfade geeignet. Die so erzeugten Leistungen können einfach am Ausgang der Verstärkerpfade kombiniert werden. Somit ergibt sich eine sehr schnell und genau abstimmbare Gesamtleistung eines Leistungswandlers.The sequence of digital values is generated by multiplying a signal data value stored in a signal data memory by an amplitude data value stored in an amplitude data memory. In particular, the sequence of digital values can be generated by reading, with the aid of a counter, a sequence of signal data stored in a signal data memory, applying this sequence of signal data values to a multiplier, and multiplying this multiplier by an amplitude data value read from an amplitude data memory. In this case, an analog signal can be an analog voltage. Thus, a digital signal can be generated in a simple manner, which has information regarding the signal shape and the amplitude of the analog signal to be generated in the DAC. This has particular advantages when several analog signals are generated in parallel, which are then combined by a combiner, so that the signals to be combined can be adapted particularly easily and quickly to each other. Amplifier paths driven by an analog signal generated in this way are especially good for one Parallel operation of several amplifier paths suitable. The power generated in this way can easily be combined at the output of the amplifier paths. This results in a very fast and exactly tunable overall performance of a power converter.
Die Amplitude des Analogsignals kann moduliert werden, indem der im Amplituden-Datenspeicher abgelegte Amplituden-Datenwert verändert wird. So kann die Amplitudenmodulation besonders schnell erfolgen. Außerdem können mehrere Verstärkerpfade so sehr schnell in ihrer Ausgangsleistung verändert werden und gleichzeitig bleibt die Synchronisierung der Verstärkerpfade untereinander unberührt.The amplitude of the analog signal can be modulated by changing the amplitude data stored in the amplitude data memory. So the amplitude modulation can be done very fast. In addition, multiple amplifier paths can be changed so very fast in their output power and at the same time the synchronization of the amplifier paths with each other remains unaffected.
Die Amplitude des Analogsignals kann moduliert werden, indem der im Signal-Datenspeicher abgelegte Signal-Datenwert verändert wird. Auch so kann die Amplitudenmodulation besonders schnell erfolgen. Außerdem können mehrere Verstärkerpfade so sehr schnell in ihrer Ausgangsleistung verändert werden und eine nichtlineare Verstärkung und Phasenschiebung bei unterschiedlichen Amplituden des Analogsignals der Verstärker kann mit berücksichtigt werden.The amplitude of the analog signal can be modulated by changing the signal data stored in the signal data memory. Even so, the amplitude modulation can be done very quickly. In addition, several amplifier paths can be changed very quickly in their output power and a non-linear amplification and phase shift at different amplitudes of the analog signal of the amplifier can be taken into account.
Einem Referenzsignaleingang des DAC kann zur Beeinflussung des Analogsignals ein Referenzsignal zugeführt werden. Insbesondere kann dadurch die Amplitude des Analogsignals moduliert werden. Somit kann das Analogsignal nicht nur durch die Folge von Digitalwerten beeinflusst werden, sondern auch durch ein Referenzsignal, welches dem Referenzsignaleingang zugeführt wird. Es stehen somit mehrere Möglichkeiten offen, das Analogsignal zu beeinflussen und exakt einzustellen, insbesondere dessen Amplitude zu modulieren.A reference signal input of the DAC can be supplied to influence the analog signal, a reference signal. In particular, this allows the amplitude of the analog signal to be modulated. Thus, the analog signal can be influenced not only by the sequence of digital values but also by a reference signal supplied to the reference signal input. There are thus several options open to influence the analog signal and adjust it exactly, in particular to modulate its amplitude.
Durch die Folge von Digitalwerten kann eine digitale Rampenfunktion realisiert werden. Unter einer digitalen Rampenfunktion versteht man eine durch digitale Werte angegebene Steigung und einen Sollwert. Zum Beispiel kann vorgegeben werden, dass die Leistung mit einer Steigung von 100 W/ms auf 1 kW gesteigert wird.Due to the sequence of digital values, a digital ramp function can be realized. A digital ramp function is a slope given by digital values and a setpoint. For example, it can be specified that the power is increased to 1 kW with a slope of 100 W / ms.
Weiterhin kann zwischen zwei Amplituden gepulst werden. Dies ist besonders einfach möglich, da dem DAC lediglich Informationen bezüglich Amplitude Phase und Frequenz zugeführt werden müssen. Die Realisierung des Pulsens mit zwei Amplituden ist daher besonders einfach und besonders schnell. Damit kann zum Beispiel in einem Simmerbetrieb die Entladung mit sehr geringer Leistung aufrecht erhalten werden, ohne dass der Material bearbeitende Plasmaprozess fortgeführt wird. Damit ist eine hoehr Ionisierungsgrad sehr viel schneller durch Leistungssteigerung möglich als wenn man neu zünden müsste.Furthermore, it is possible to pulse between two amplitudes. This is particularly easy because the DAC only information about amplitude phase and frequency must be supplied. The realization of pulsing with two amplitudes is therefore particularly simple and very fast. Thus, for example, in a simmer operation, the discharge can be maintained at very low power without continuing the plasma process processing the material. Thus, a high degree of ionization is much faster by increasing performance than if you had to re-ignite.
Das Analogsignal kann gefiltert werden. Dadurch kann ein besonders oberwellenarmes Signal am Eingang des Verstärkerpfades eingegeben werden. Dies steigert die Effizienz des Gesamtsystems.The analog signal can be filtered. As a result, a particularly low-harmonic signal at the input of the amplifier path can be entered. This increases the efficiency of the overall system.
Es kann durch mehrere DAC jeweils ein Analogsignal erzeugt werden und in einem jeweils zugeordneten Verstärkerpfad verstärkt werden. Somit können in parallelen Verstärkerpfaden relativ geringe Leistungen erzeugt werden, die anschließend zu einer Gesamtleistung zusammengeführt werden können. Für die einzelnen Verstärkerpfade können wegen der relativ geringen erzeugten Leistungen kostengünstige Bauelemente eingesetzt werden.It can be generated by several DAC each an analog signal and amplified in an associated amplifier path. Thus, relatively low powers can be generated in parallel amplifier paths, which can then be combined to form a total power. For the individual amplifier paths inexpensive components can be used because of the relatively low power generated.
Die Ausgangssignale der Verstärkerpfade können mit einem Kombinierer zu einer Gesamtleistung kombiniert werden. Somit kann auf einfache Art und Weise eine hohe Ausgangsleistung des Leistungswandlers realisiert werden.The output signals of the amplifier paths can be combined with a combiner to a total power. Thus, a high output power of the power converter can be realized in a simple manner.
Die Signaldatenspeicher und Amplitudendatenspeicher können von einem übergeordneten Speicher beschrieben werden. Durch den übergeordneten Speicher kann somit der Inhalt der den DAC zugeordneten Speicher bestimmt und beeinflusst werden.The signal data memories and amplitude data memories can be described by a higher-level memory. The content of the memory allocated to the DAC can thus be determined and influenced by the higher-level memory.
Die DAC können unter Berücksichtigung der Signallaufzeiten und Verstärkungsfaktoren in den einzelnen Verstärkerpfaden angesteuert werden. Somit kann eine besonders genaue Gesamtleistung eingestellt werden..The DAC can be controlled taking into account the signal propagation times and gain factors in the individual amplifier paths. Thus, a particularly accurate overall performance can be adjusted.
Die erzeugte Gesamtleistung und/oder eine von der Last reflektierte Leistung kann erfasst und einer übergeordneten Steuerung zugeführt werden. Somit ist eine besonders genaue Regelung und Steuerung der Gesamtleistung möglich.The total generated power and / or a power reflected from the load can be detected and fed to a higher-level controller. Thus, a particularly accurate control and control of the overall performance is possible.
In den Rahmen der Erfindung fällt außerdem ein Leistungsversorgungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 6. Insbesondere ist eine besonders schnelle und flexible Amplitudenmodulation möglich, die an Plasma- und Laseranwendungen genutzt werden kann. Mit dem erfindungsgemäßen Leistungsversorgungssystem ist die Amplitudenmodulation eines Leistungswandlers mit beliebiger Einhüllender zur Steuerung beispielsweise des Ionisierungsgrads des Plasmas möglich.The scope of the invention also includes a power supply system having the features of
Dem DAC ist eine Logikschaltungseinheit zur Erzeugung eines dem DAC zugeführten Digitalsignals vorgeschaltet, wobei die Logikschaltungseinheit einen Signaldatenspeicher, in dem Signaldatenwerte zur Erzeugung einer Analogsignalform abgelegt sind, einem Amplitudendatenspeicher, in dem Amplitudendatenwerte zur Beeinflussung der Amplituden der Analogsignale abgelegt sind, und einen Multiplikator zur Multiplikation der Signaldatenwerte mit den Amplitudendatenwerten aufweist.The DAC is preceded by a logic circuit unit for generating a digital signal supplied to the DAC, wherein the logic circuit unit stores a signal data memory in which signal data values for generating an analog waveform are stored, an amplitude data memory in which amplitude data values for influencing the amplitudes of the analog signals are stored Multiplier for multiplying the signal data values by the amplitude data values.
Somit kann auf einfache Art und Weise ein Digitalsignal erzeugt werden, welches Informationen bezüglich der Signalform und der Amplitude des im DAC zu erzeugenden Analogsignals aufweist. Es ergeben sich die bezüglich des Verfahrens erwähnten Vorteile.Thus, a digital signal can be generated in a simple manner, which has information regarding the signal shape and the amplitude of the analog signal to be generated in the DAC. This results in the advantages mentioned with regard to the method.
Die Signaldatenwerte können insbesondere eine Phaseninformation und/oder eine Frequenzinformation für das zu erzeugende Analogsignal aufweisen.The signal data values may in particular comprise phase information and / or frequency information for the analog signal to be generated.
Es können zumindest zwei Verstärkerpfade vorgesehen sein, wobei jedem Verstärkerpfad ein jeweils von einem DAC aus einem Digitalsignal erzeugtes Analogsignal zugeführt ist und jedem DAC eine Logikschaltungseinheit vorgeschaltet ist. Durch diese Maßnahme ergibt sich eine besonders kompakte Bauweise für hohe Ausgangsleistungen. Damit lassen sich Fertigungsaufwand und Kosten sparen. Außerdem wird ein solcher Aufbau zuverlässiger. Ein solcher Leistungswandler ist besonders gut kalibrierbar und abstimmbar.At least two amplifier paths can be provided, each amplifier path being supplied with an analog signal generated by a digital signal from a DAC, and a logic circuit unit being connected upstream of each DAC. This measure results in a particularly compact design for high output power. This can save manufacturing costs and costs. In addition, such a structure becomes more reliable. Such a power converter is particularly easy to calibrate and tune.
Es kann eine digitale Logikschaltung vorgesehen sein, die mit der oder den Logikschaltungseinheit(en) verbunden ist. Durch die Logikschaltungseinheit können die zu multiplizierenden Datenwerte ausgewählt werden.A digital logic circuit connected to the logic circuit unit (s) may be provided. By the logic circuit unit, the data values to be multiplied can be selected.
Die digitale Logikschaltung und ein oder mehrere Logikschaltungseinheiten können in einem Logikbauelement integriert sein. Somit ergibt sich ein hoher Grad der Integration. Es müssen wenige Bauteile eingesetzt werden, was Platz spart und kostengünstig ist.The digital logic circuit and one or more logic circuit units may be integrated in a logic device. This results in a high degree of integration. It must be used few components, which saves space and is inexpensive.
Das amplitudenmodulierte Analogsignal kann eine Spannung, ein Strom oder eine Leistung sein. Mit dem Begriff „Amplitude” eines Signals ist hier die maximale Auslenkung einer periodisch verlaufenden Wechselgröße gemeint.The amplitude modulated analog signal may be a voltage, a current or a power. The term "amplitude" of a signal here means the maximum deflection of a periodically alternating variable.
Die Signaldatenwerte und/oder die Amplitudendatenwerte können in Nachschautabellen (Look-Up-Table, LUT) abgelegt sein und dort besonders einfach für eine einzustellende Signalform und Amplitude bzw. Amplitudenmodulation ausgewählt werden.The signal data values and / or the amplitude data values can be stored in look-up tables (LUT) and are particularly easy to select for a signal shape to be set and amplitude or amplitude modulation.
Der Signal- und der Amplituden-Datenspeicher können als Nachschautabellen (Look-Up-Table, LUT) ausgebildet sein. Dadurch lässt sich Speicherplatz einsparen, da in den eigentlichen Datenbeständen (mit einer hohen Anzahl von Einträgen) nur ein Kurzcode geführt und die zugehörige Langbezeichnung aus der Tabelle verwendet werden kann. In der Nachschautabelle können für bestimmte Konstellationen vorberechnete Ergebnisse oder andere Informationen definiert werden. Auf die Berechnung von Werten kann somit verzichtet werden, so dass die Analogsignale und damit die Leistung extrem schnell angepasst werden können.The signal and the amplitude data memory can be designed as look-up tables (LUT). This saves space since only a short code can be kept in the actual data files (with a high number of entries) and the associated long description can be used from the table. In the look-up table, precomputed results or other information can be defined for certain constellations. The calculation of values can thus be dispensed with, so that the analog signals and thus the power can be adapted extremely quickly.
Der DAC kann einen Referenzsignaleingang aufweisen. Dieser Referenzsignaleingang kann verwendet werden, um die Generierung des Analogsignals zu beeinflussen. Eine Veränderung des Analogsignals kann auf diese Weise besonders schnell herbeigeführt werden.The DAC may have a reference signal input. This reference signal input can be used to influence the generation of the analog signal. A change of the analog signal can be brought about very quickly in this way.
Dem Referenzsignaleingang kann eine Ansteuerschaltung vorgeschaltet sein. Mit Hilfe einer solchen Ansteuerschaltung kann das Eingangssignal des Referenzsignaleingangs schnell verändert werden, um dadurch auch schnell eine Veränderung des erzeugten Analogsignals, insbesondere dessen Amplitudenmodulation, zu bewirken.The reference signal input may be preceded by a drive circuit. With the aid of such a drive circuit, the input signal of the reference signal input can be changed rapidly, thereby also quickly causing a change in the generated analog signal, in particular its amplitude modulation.
Eine besonders kompakte Bauweise ergibt sich, wenn der DAC und die zugeordneten Logikschaltungseinheiten in einem Direkt-Digital-Synthese (DDS-Baustein) integriert sind.A particularly compact construction results when the DAC and the associated logic circuit units are integrated in a direct digital synthesis (DDS module).
Wenn zwischen dem DAC und dem Verstärkerpfad eine Filteranordnung zur Filterung des Analogsignals vorgesehen ist, kann ein besonders oberwellenarmes Signal am Eingang des Verstärkerpfades eingegeben werden. Das vermindert störende Oberwellen im Verstärkerpfad. Diese steigert die Effizienz des Gesamtsystems.If a filter arrangement for filtering the analog signal is provided between the DAC and the amplifier path, a particularly low-harmonic signal can be input at the input of the amplifier path. This reduces annoying harmonics in the amplifier path. This increases the efficiency of the overall system.
Der Leistungswandler kann mehr als zwei Verstärkerpfade aufweisen, denen jeweils ein DAC zugeordnet ist, der dem jeweiligen Verstärkerpfad ein Analogsignal zuführt. Durch diese Maßnahme ergibt sich eine besonders kompakte Bauweise für hohe Ausgangsleistungen. Ein solcher Leistungswandler ist besonders gut abstimmbar.The power converter can have more than two amplifier paths, to each of which a DAC is assigned, which supplies an analog signal to the respective amplifier path. This measure results in a particularly compact design for high output power. Such a power converter is particularly well tuned.
Die Verstärkerpfade können mit einem Kombinierer zur Kombination der in den Verstärkerpfaden erzeugten Leistungen zu einer Gesamtleistung verbunden sind. Hierbei können relativ einfache Kombinierer verwendet werden, die günstiger in der Herstellung sind, aber hohe Anforderungen hinsichtlich der Phasenlage, Amplituden und Frequenzen der Eingangssignale stellen. Der Leistungswandler kann hierdurch in besonders kompakter Bauweise und kostengünstig aufgebaut werden.The amplifier paths may be combined with a combiner to combine the power generated in the amplifier paths into a total power. In this case, relatively simple combiners can be used, which are cheaper to produce, but place high demands on the phase position, amplitudes and frequencies of the input signals. The power converter can thereby be constructed in a particularly compact design and cost.
Der Kombinierer zur Kombination der in den Verstärkerpfaden erzeugten Leistungen kann ohne Ausgleichsimpedanzen für Eingangssignale ungleicher Stärke und/oder Phasenlage ausgelegt sein. Ein solcher Kombinierer ist besonders energiesparend und kostengünstig. Außerdem kann ein solcher Kombinierer sehr kompakt und mit wenigen Bauteilen aufgebaut werden.The combiner for combining the power generated in the amplifier paths can be designed without compensation impedances for input signals of unequal strength and / or phase. Such a combiner is particularly energy-efficient and cost-effective. In addition, such a Combiner very compact and can be built with few components.
Die Verstärkerpfade können Transistoren in LDMOS-Technologie aufweisen. LDMOS steht für „laterally diffused metal oxide semiconductor”. Das sind MOSFETs, die bisher vor allem im GHz-Bereich Anwendung fanden. Die Verwendung dieser Transistoren im Bereich unter 200 MHz ist bislang noch nicht bekannt. Beim Einsatz in Verstärkern zur Erzeugung einer Leistung, die einem Plasmaprozess oder einem Laser zuführbar ist, hat sich überraschenderweise gezeigt, dass sich diese Transistoren in LDMOS-Technologie sehr viel zuverlässiger verhalten als vergleichbare herkömmliche MOSFETs. Dies kann auf eine sehr viel höhere Strombelastbarkeit zurückzuführen sein. Insbesondere bei Versuchen mit mehreren Verstärkerpfaden und bei Frequenzen von 3,4 MHz, 13 MHz, 27 MHz, 40 MHz und 162 MHz haben diese Transistortypen eine besonders hohe Zuverlässigkeit gezeigt. Ein weiterer Vorteil dieser Transistortypen gegenüber herkömmlichen MOSFETs besteht darin, dass die identischen Transistoren für die genannten Frequenzen (3,4 MHz, 13 MHz, 27 MHz, 40 MHz und 162 MHz) einsetzbar sind. Damit lassen sich nun mit einer sehr ähnlichen oder auch mit einer gleichen Topologie Verstärker- und Leistungsversorgungssysteme aufbauen, die bei Frequenzen über mehrere Dekaden im Bereich von 1 MHz bis 200 MHz einsetzbar sind. Das sind Frequenzen, wie sie in Plasmaprozessen und zur Gaslaseranregung oft benutzt werden. Die Frequenz ist durch einfache Veränderung der Ansteuerung der Digital-Analog-Wandler einstellbar, die Amplitude durch Veränderung der Werte im Digitalspeicher bzw. in den Nachschautabellen oder über den Referenzsignaleingang des Digital-Analog-Wandlers. Herkömmliche MOSFETs haben bei diesen Frequenzen betrieben an Plasmaprozessen oftmals Probleme, wenn zu viel in den Plasmaprozess gelieferte Leistung reflektiert wird. Deswegen musste die erzeugte Leistung oft begrenzt werden, um die reflektierte Leistung nicht über eine kritische Grenze ansteigen zu lassen. Damit ließen sich die Plasmaprozesse nicht immer sicher zünden oder im gewünschten Leistungsbereich betreiben. Außerdem wurden aufwändige regelbare Impedanzanpassungsschaltungen vorgesehen, um diese Nachteile zu beheben. LDMOS-Transistoren sind nun besonders vorteilhaft einsetzbar, wenn mit reflektierter Leistung in erheblichem Maß zu rechnen ist, wie dies beispielsweise bei der Versorgung von Plasmaprozessen der Fall ist. In Verbindung mit dem oben erwähnten Kombinierer besteht der Vorteil der LDMOS-Transistoren darin, dass sehr viel höhere reflektierte Leistungen von den Transistoren aufgenommen werden können. Dadurch werden die Anforderungen an zusätzliche zwischen Leistungsversorgungssystem und Last geschaltete Impedanzanpassungsnetzwerke niedriger und es können bei diesen Impedanzanpassungsnetzwerken Kosten für Bauteile und Regelung eingespart werden.The amplifier paths may comprise transistors in LDMOS technology. LDMOS stands for "laterally diffused metal oxide semiconductor". These are MOSFETs, which have so far been used mainly in the GHz range. The use of these transistors in the range below 200 MHz is not yet known. When used in amplifiers to produce a power that can be supplied to a plasma process or a laser, it has surprisingly been found that these transistors behave in LDMOS technology much more reliable than comparable conventional MOSFETs. This can be due to a much higher current carrying capacity. In particular, in experiments with multiple amplifier paths and at frequencies of 3.4 MHz, 13 MHz, 27 MHz, 40 MHz and 162 MHz, these types of transistors have shown a particularly high reliability. Another advantage of these transistor types compared to conventional MOSFETs is that the identical transistors can be used for the mentioned frequencies (3.4 MHz, 13 MHz, 27 MHz, 40 MHz and 162 MHz). This makes it possible to build amplifier and power supply systems which can be used at frequencies over several decades in the range from 1 MHz to 200 MHz, with a very similar or identical topology. These are frequencies that are often used in plasma processes and for gas laser excitation. The frequency can be set by simply changing the control of the digital-to-analog converter, the amplitude by changing the values in the digital memory or in the look-up tables or via the reference signal input of the digital-to-analog converter. Conventional MOSFETs at these frequencies often have problems with plasma processes when too much power supplied to the plasma process is reflected. Therefore, the power generated often had to be limited so as not to increase the reflected power beyond a critical limit. Thus, the plasma processes could not always ignite safely or operate in the desired power range. In addition, sophisticated variable impedance matching circuits have been provided to overcome these disadvantages. LDMOS transistors can now be used particularly advantageously if reflected power is to be expected to a considerable extent, as is the case, for example, in the supply of plasma processes. In connection with the above-mentioned combiner, the advantage of the LDMOS transistors is that much higher reflected powers can be absorbed by the transistors. As a result, the demands on additional impedance matching networks connected between the power supply system and the load become lower, and component and control costs can be saved in these impedance matching networks.
Jedem Verstärkerpfad kann ein eigener DAC mit zugeordneter Logikschaltungseinheit zugeordnet sein, wobei ein übergeordneter Speicher, insbesondere eine Look-Up-Tabelle, vorgesehen ist, der mit den dem DAC zugeordneten Logikschaltungseinheiten verbunden ist. Durch den übergeordneten Speicher können die den DAC zugeordneten Speicher beschrieben werden. Es ergibt sich ein Gesamtsystem, welches für sehr hohe Leistungen geeignet ist und welches in kompakter Bauweise realisiert werden kann. Auch ist das System hinsichtlich der Ausgangsleistung sehr gut einstellbar und abstimmbar.Each amplifier path may be assigned its own DAC with associated logic circuit unit, a higher-level memory, in particular a look-up table, being provided, which is connected to the DAC-associated logic circuit units. The higher-level memory can be used to describe the memory allocated to the DAC. This results in an overall system which is suitable for very high powers and which can be realized in a compact design. Also, the system is very easy to set and tune in terms of output power.
Der übergeordnete Speicher kann in der Logikschaltung integriert sein. Weiterhin kann die Ansteuerschaltung für den Referenzsignaleingang zumindest eines DAC in dem Logikbauelement, das als programmierbarer Logikbaustein (PLD), insbesondere Field Programmable Gate Array (FPGA) ausgebildet sein kann, integriert sein. Die Logikschaltung kann durch einen digitalen Signalprozessor angesteuert sein.The higher-level memory can be integrated in the logic circuit. Furthermore, the drive circuit for the reference signal input of at least one DAC can be integrated in the logic component, which can be designed as a programmable logic device (PLD), in particular a field programmable gate array (FPGA). The logic circuit may be driven by a digital signal processor.
Insbesondere können zusätzlich die DAC in diesem PLD bzw. FPGA integriert sein. Weiterhin kann die Ansteuerschaltung für den Referenzsignaleingang zumindest eines DAC in einem PLD bzw. FPGA integriert sein. Das PLD bzw. FPGA kann durch einen digitalen Prozessor, insbesondere durch einen digitalen Signalprozessor (DSP) angesteuert sein. Diese Maßnahmen tragen dazu bei, dass eine kompakte Bauweise für hohe Leistungen realisiert werden kann und dass der Leistungswandler sehr gut abstimmbar ist.In particular, the DAC can additionally be integrated in this PLD or FPGA. Furthermore, the drive circuit for the reference signal input of at least one DAC can be integrated in a PLD or FPGA. The PLD or FPGA can be controlled by a digital processor, in particular by a digital signal processor (DSP). These measures contribute to the fact that a compact design for high power can be realized and that the power converter is very well tuned.
Es kann eine Messeinrichtung, insbesondere ein Richtkoppler, vorgesehen sein, die mit einer Systemsteuerung verbunden ist, die wiederum die Logikschaltung zumindest mittelbar, insbesondere über einen digitalen Prozessor oder DSP, ansteuert. Dadurch kann eine sehr genaue und sehr schnelle Regelung der einem Plasmaprozess zugeführten Leistung realisiert werden.A measuring device, in particular a directional coupler, can be provided which is connected to a system controller, which in turn drives the logic circuit at least indirectly, in particular via a digital processor or DSP. This allows a very accurate and very fast control of the power supplied to a plasma process can be realized.
Die erzeugte Gesamtleistung und/oder eine von einer Last, insbesondere Plasmakammer, reflektierte Leistung kann erfasst und einer übergeordneten Steuerung zugeführt werden. Auf diese Art und Weise kann die Ausgangsleistung des Leistungswandlers gesteuert oder geregelt werden.The total power generated and / or a power reflected by a load, in particular a plasma chamber, can be detected and fed to a higher-level controller. In this way, the output power of the power converter can be controlled or regulated.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.Further features and advantages of the invention will become apparent from the following description of an embodiment of the invention, with reference to the figures of the drawing, which show details essential to the invention and from the claims. The individual characteristics can each individually for themselves or to several in any combination in a variant of the invention be realized.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird nachfolgend mit Bezug zu den Figuren der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:A preferred embodiment of the invention is shown schematically in the drawing and will be explained below with reference to the figures of the drawing. Show it:
Die
Insbesondere kann ein Werkstück geätzt werden oder kann eine Materialschicht auf ein Substrat aufgebracht werden.In particular, a workpiece can be etched or a layer of material can be applied to a substrate.
Die
Dass die Verstärkerpfade
Den Verstärkerpfaden
Die Logikschaltungseinheit
- 1. einen Signal-
Datenspeicher 61 , in dem Signal-Datenwerte zur Erzeugung der Analogsignalform abgelegt sind, - 2. einen Amplituden-
Datenspeicher 62 , in dem Amplituden-Datenwerte zur Beeinflussung der Amplituden der Analogsignale abgelegt sind, - 3.
einen Multiplikator 63 zur Multiplikation der Signal-Datenwerte mit den Amplituden-Datenwerten und - 4.
einen Zähler 64 , der dafür sorgt, dass in einem vorbestimmten Takt Signal-Datenwerte aus dem Signal-Datenspeicher 61 ausgelesen und dem Multiplikator zugeführt werden.
- 1. a
signal data memory 61 in which signal data values for generation of the analog signal form are stored, - 2. an
amplitude data memory 62 in which amplitude data values for influencing the amplitudes of the analog signals are stored, - 3. a
multiplier 63 for multiplying the signal data values by the amplitude data values and - 4. a
counter 64 which ensures that in a predetermined clock signal data values from thesignal data memory 61 be read out and fed to the multiplier.
Sowohl der Signal-Datenspeicher
Der DAC
Durch das am Referenzsignaleingang
Der digitale Prozessor, insbesondere Digitale Signalprozessor (DSP)
Die Ausgangsleistung des Kombinierers
In dem Speicher
Durch die erfindungsgemäße Art und Weise, ein analoges Signal zu erzeugen, kann sehr schnell die Leistung im Ausgang des Kombinierers
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